CN101848027A - 一种无线电与水声组合遥控系统及遥控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种无线电与水声组合遥控系统及遥控方法。包含船载显控平台、无线电通信基站、水面中继站和水下应答器；船载显控平台由安装有操作软件的计算机组成；无线电通信基站包含一个无线电台和一个USB数据通信接口；水面中继站包含一个无线电台、一个水声发射装置和一个水声接收装置；水下应答器包含一个水声发射装置和一个水声接收装置。本发明将无线电通信机制与水声通信机制组合在一起，创建了一种声电一体化的混合通信体制；水声通信采用FSK的编码方式，并在相邻的两个码元之间插入保护时隙，在码组内部设立了确认码元和校验码元，提高系统抗多途和混响的能力；“询问应答”与“自主查询”相结合，可以实现高可靠半双工通信。

Description

一种无线电与水声组合遥控系统及遥控方法

技术领域

本发明涉及一种遥控方法，更确切的说，是在复杂多变的水声环境下实现高可靠远程通信的水声与无线电组合通信方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，人类在海洋中寻找资源和开发资源的技术水平也不断提高。无人驾驶潜器(UUV)和水下机器人等水下装备，在地球物理测量、海底地貌探测、科学考察和矿产资源开发等领域发挥着极其重要的作用。水声遥控系统作为水上控制平台与水下装备之间进行信息交互的平台，为水下装备可靠、安全地执行任务提供了必要的保障，因此构建高可靠的水声遥控系统具有重大的价值和意义。

本发明所适用的水声遥控系统，不仅需要同时控制水下的多个目标节点，还需要实现远程实时遥控，这对它的可靠性和实时性都提出了高的要求。目前的水声遥控技术所采用的水声通信方法主要有：扩频通信、Pattern时延差编码通信、移频键控(FSK)编码通信等。虽然扩频通信具有抗干扰、抗多途强等特点，但水声通信的可用频带有限，并且该方式受多卜勒影响较严重；Pattern时延差编码通信方式可以达到较高的通信速率，但这种通信方式对多途干扰比较敏感，而且较难满足水下多节点同时交互的需求；FSK是一种对水声信道的时间和频率扩展都具有较强适应能力的通信方式，它采用不同的单频信号来表示数字信息，在接收端通过对各个单频信号进行能量检测与判决，来获取传输信息，工程实现也比较容易。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现水上控制平台与水下通信节点之间的远程实时通信，稳健、可靠的无线电与水声组合遥控系统。本发明的目的还在于提供一种无线电与水声组合遥控方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的无线电与水声组合遥控系统包含船载显控平台、无线电通信基站、水面中继站和水下应答器四类通信节点；

船载显控平台：是一个信息综合平台，由计算机和操作软件组成，其功能是对系统各个节点的状态进行实时监控，同时他还提供了人机交互的接口，操作者可以通过该接口对整个系统进行实时操控；

无线电通信基站：是一个数据接收与转发装置，用来实现船载显控平台与水面中继站之间的通信连接，它包含一个无线电台和一个USB数据通信接口，分别通过USB数据总线和无线电通信方式与上下两层节点建立连接；

水面中继站：是一个浮动的通信节点，同时也是一个协议转换装置，用来实现水上和水下两种通信机制的连接，它包含一个无线电台、一个水声发射装置和一个水声接收装置，分别通过无线电通信方式和水声通信方式与上下两层节点建立连接；

水下应答器：是一个集水声测量和水声通信于一体的装置，它包含一个水声发射装置和一个水声接收装置，以水声通信方式与上层节点建立连接，水下应答器的数量可以根据需求自行设定。

本发明的无线电与水声组合遥控方法的具体实现过程可概括如下：

(1)船载显控平台产生遥控指令，并对该指令进行校验编码，然后将编码后的数据通过USB总线传给无线电通信基站；

(2)无线电通信基站将船载显控平台下发的遥控指令以无线电通信方式转发给水面中继站；

(3)水面中继站将接收的无线电遥控指令经FSK编码后，以水下声波信号的形式发给水下应答器节点；

(4)水下应答器节点接收到水面中继站下发的遥控指令后先执行该指令，然后将执行结果反馈给水面中继站；

(5)水面中继站接收到由水下应答器回复的确认信息后，将该信息以无线电通信方式转发给无线电通信基站；

(6)无线电通信基站接收到由水面中继站上传的信息后，通过USB总线传给船载显控平台，并在平台上显示。

本发明的特点主要体现在：

(1)将无线电通信机制与水声通信机制组合在一起，创建了一种声电一体化的混合通信体制，水面中继站作为这两种通信机制的中继节点，完成信号的声电能量转换；

(2)水声通信采用移频键控(FSK)的编码方式，并在相邻的两个码元之间插入保护时隙，在码组内部设立了确认码元和校验码元，以此来提高系统抗多途和混响的能力；

(3)“询问应答”与“自主查询”相结合，为上行和下行的两条通信链路设定不同的编码格式和相互独立的通信信道，可以实现高可靠半双工通信。

为了实现水上控制平台与水下通信节点之间的远程实时通信，本发明创建了一种无线电与水声组合遥控系统，该系统包含水上和水下两个分系统，水上系统由船载显控平台、无线电通信基站和水面中继站组成，以无线电通信方式实现数据的远程实时传输；水下系统由水面中继站和水下应答器组成，以水声通信方式实现水下多节点交互。

附图说明

图1是本发明的无线电与水声组合遥控工作模式示意图。

图2是本发明的无线电与水声组合遥控系统结构框图。

图3是水面中继站与水下应答器组成的单点与多点交互示图。

图4是水声通信指令的编码格式图，其码组格式为一串脉宽为τ，码元间距为T的CW脉冲。

图5是本发明的无线电与水声组合遥控方法的数据传输的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

考虑到水声通信机制的作用距离和通信速率相对受限，为了实现水上控制平台与水下通信节点之间的远程实时遥控，本发明将无线电通信机制与水声通信机制组合在一起，创建了一种无线电与水声组合遥控系统。以下将参照附图详细描述根据本发明的无线电与水声组合遥控系统的具体实施例。

首先参照图1，示出了一种根据本发明的无线电与水声组合遥控系统的示例性实施例，它包含水上和水下两个分系统，其中1为工作船、2为目标、3为水面中继站、4为水下通信节点。水上系统采用无线电通信机制，依据无线路由协议实现数据的远程实时传输；水下系统采用水声通信机制，依据水声通信网络协议实现水下多节点交互；水面中继站作为这两种通信机制的接口，完成通信数据的声电转换。图2是系统结构框图，其中方框表示装置单元或过程，可以通过硬件和/或软件执行所有过程。硬件可以包括实现相应功能的硬布线逻辑或可编程逻辑(例如，微处理器(MCU)、复杂指令集计算机(CISC)处理器、精简指令集计算机(RISC)处理器、大规模现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)等)。

在图2中，船载显控平台200主要指PC，包括由PC处理器执行的操作系统202、操作软件203、人机接口205、数据接口201和显示装置204。船载显控平台200通过显示装置204，更确切地说是PC显示器，显示整个系统所有节点的状态信息，以便于操作者通过人机接口205对系统进行实时操控。人机接口205是PC提供的输入设备，包括鼠标、键盘、以及由操作软件203提供的控制面板。无线电通信基站206经由数据线210连接到数据接口201。在本发明的实施例中，数据接口201是PC的USB接口，操作软件203提供了该接口的驱动软件和执行代码。无线电通信基站206与PC或者数据接口201之间的数据连接也可以被实施为例如蓝牙技术中的无线链路。无线电通信基站206经由空中接口或无线链路211连接到无线网络212中。无线网络212是一个虚拟网络，更确切地说，是本数据传输协议中的无线路由协议。在操作系统202下，借助操作软件203中的信息，例如，USB接口驱动软件和执行代码，可以将无线电通信基站206实施为PC的一个“数据转换设备”。操作系统202经由USB接口201向无线电通信基站206传输依照数据传输协议格式化了的数据，并且经由反向路径从无线电通信基站206中接收依照数据传输协议格式化了的数据。

操作系统202进一步与USB驱动器209相连接。术语“驱动器”在此不仅可以被理解为驱动器软件，也可以被理解为执行驱动器软件的处理器。这个处理器可以是与执行操作系统202的处理器相同的处理器，或者，这个处理器可以是不同于执行操作系统202的处理器的另一处理器。USB驱动器209与PC的USB接口201相耦合，无线电通信基站206经由数据线210也被耦合到PC的USB接口201。无线电通信基站206经由空中接口或无线链路211与无线网络212相耦合，微处理器207提供了USB驱动器209与无线电台208的接口，同时也提供了USB数据传输协议与无线路由协议之间进行数据转换的具体实施过程，因此，无线电通信基站206在操作系统202下可以被实施为PC的“数据转换设备”。

在本发明的实施例中，水面中继站214是一个浮动的通信节点，它提供了水上和水下两种通信网络的接口，用来实现无线电通信机制与水声通信机制的连接。对于水上部分，水面中继站214经由空中接口或无线链路213与无线网络212相耦合。无线网络212是一个虚拟网络，更确切地说，是数据传输协议中的无线路由协议，它提供了无线通信网中不同节点相互链接的规范。通过无线路由协议，无线电通信基站206与水面中继站214直接耦合，进而可以将整个水上通信网络归约成船载显控平台200与水面中继站214之间的耦合，可以依照无线路由协议来格式化在船载显控平台200和水面中继站214之间传输的数据。从图2还可以看到，水面中继站214和水下应答器222均包含一个水声发射装置和一个水声接收装置，这两个装置是水下通信节点与水声通信网221进行信息交互的接口。水声通信网221是一个虚拟网络，更确切地说，是本实施例的水声通信网络协议，它对水声通信的码元进行了定义，对水下多节点交互的方法进行了定义，为水下信息高可靠传输奠定了基础，以下将详细介绍其内容。

(1)水声通信码元定义

水声通信采用移频键控(FSK)的编码方式。其码组格式为一串脉宽为τ，码元间距为T的CW脉冲，如图3所示。为了实现信息的高可靠传输，本通信协议为上行和下行的两条通信链路设定了不同的编码格式，以下分别予以介绍。

下行通信链路占用两条固定的通信信道CCF1和CCF2，当脉冲载频为CCF1时，代表“0”码，载频为CCF2时，代表“1”码。设脉宽为τ，码元间距为T，T-τ为保护时隙，用来减少多途与混响带来的影响。一个下行指令码由22个码元组成，总长度为21T+τ。根据指令码所实现功能的不同，可以将其分成状态控制码和参数设置码两类。前者用来对水下应答器基阵的工作状态进行控制，它由目标序号、应答器地址、指令号、指令类型、指令确认和校验码元组成；后者主要是对应答器基阵的工作参数进行设置，它由目标序号、应答器地址、指令号、设置参数和校验码元组成。

表1给出了状态控制码的码元定义。第1位为目标序号，B21＝0时表示1号目标，B21＝1时表示2号目标。接下来的6位(B20～B15)代表阵元节点(应答器)地址，该地址在应答器上通过拨码开关预置，是该节点的唯一编号。应答器地址采用6比特二进制数表示，每个地址仅对单个目标节点生效，因此整个系统最多可支持64个节点，满足系统正常工作的需求。

表1状态控制码码元定义

B21	B20～B15	B14～B11	B10	B9～B2	B1～B0
						目标序号	应答器地址	指令号	指令类型	指令确认	校验码元

第8～11位(B14～B11)为指令号，它包含了该指令的所有控制信息，为了提高指令传输的可靠性，本通信协议对指令号进行了确认编码，B9～B2即为相应的确认码元。B10代表指令类型，B10＝1表示该指令码组为状态控制码，B10＝0表示该指令码组为参数设置码。B1～B0为校验码元，它的设置是通过对B21～B2的所有码元进行奇偶校验，然后将得到的2比特校验结果作为该校验码元的值。

参数设置码的码元定义见表2。其目标序号、应答器地址、指令类型和校验码元的设置同上。与状态控制码不同，参数设置码的信息不仅包含于指令号中，还包含于设置参数中。二者组合在一起完成遥控参数的设置。

表2参数设置码码元定义

B21

B20～B15

B14～B11

B10

B9～B2

B1～B0

目标序号

应答器地址

指令号

指令类型

设置参数

校验码元

上行通信链路用来将水下应答器的测量结果以及对下行命令的回复信息实时反馈给船载显控平台。需要上行的信息包括指令确认、测阵信息、深度信息、电池电量、漏水报警等。本实施例采用不同的编码格式和相互独立的通信信道来实现信息的反馈，以下将分别予以介绍。

水下应答器每接收到一条下行指令，都将利用一条公共应答信道(CRF)和一条单独应答信道(IRF)对该指令进行确认。应答指令不含地址，只包含指令号和指令类型，码组长度为6bit，该指令码的码元定义见表3。

表3应答指令码码元定义

B5	B4～B1	B0
			信道类型	指令号	指令类型

其中，B5表示信道类型，B5＝1代表CRF信道有效，否则表示IRF信道有效。如果水下应答器正确接收并执行了下行指令，则上传相应的指令号和指令类型，用来通知上级已正确完成设置；如果应答器接到了错误指令，则上传指令号1111，要求上级重发。

与指令确认码的编码方式不同，应答器上报测阵信息、电池电量和深度信息时采用QFSK编码方式，该码组一共占用4条公共通信信道CCMF0、CCMF1、CCMF2和CCMF3，其码元定义见表4。

表4测阵与深度信息码码元定义

B10	B9～B2(四进制)	B1～B0(二进制)
			引导码元	数据码元	校验码元

该信息码组由CRF信道上的长脉冲作为引导码元，后面跟随一个10位FSK数据码组。前8位为数据码元，采用QFSK编码方式，后2位为校验码元，采用BFSK编码方式。

(2)时分多址(TDMA)与频分多址(FDMA)

本发明的实施例包含多个水下应答器节点，同一时刻，水面中继站只能与单个水下应答器进行通信，这就要求水面中继站分时从各个水下应答器那里读取数据，这种分时读取的方法可以表述为TDMA。本实施例采用TDMA与FDMA相结合的方法实现多点交互。所述的FDMA是指为各个水下应答器节点配置相互独立的水声信道，它们占用不同的通信频段，在多点交互的过程中，各个通信链路互不干扰，可以保证信息的高可靠传输，信道的具体分配如下：

两条公共专用控制信道：CCF1、CCF2。这两条信道专用于传送遥控指令，在简单应答方式下禁止用于询问或应答信号。应答器对这两条信道处于常开放状态，以保证随时监听下传指令。

两条公共询问信道：CIF1和CIF2。该两条信道用于应答方式下双目标各自发送询问信号。单目标工作时，只占用其中一条，可通过遥控指令更改工作频点和带宽。

一条公共应答信道：CRF。该信道用于指令应答，应答器用该信道和自身的单独应答信道完成指令确认。

四条公共通信信道：CCMF0、CCMF1、CCMF2和CCMF3。该四条信道在遥控/自测阵方式下用于上传测阵结果。在简单应答方式下可复用为单独应答信道。

除CCF1、CCF2、CIF1、CIF2和CRF五条信道禁止复用外，其它信道均可作为单独应答信道IRF。通常情况下，各应答器的IRF互不重叠，仅当两应答器间距超过两倍水声作用距离时才允许共用同一条信道。每个应答器最多可同时占用两条信道，单目标工作时可只用一条IRF。

图5示出了系统数据传输流程。整个系统包括下行和上行两条通信链路，对于下行链路，其主要功能是将船载显控平台发出的命令和参数实时传送给水下应答器；而上行链路则需要将水下应答器的测量结果以及对下行命令的回复信息实时反馈给终端控制平台。两条链路结合在一起组成一个闭合的通信环路，用来完成系统约定的“询问应答”与“自主查询”。

流程图开始于起始点“开始”501，并在过程502中完成初始化设置。在节点503中判断是否有控制命令输入，该“控制命令”是由船载显控平台产生的遥控命令。当检测到控制命令，流程前进至过程504，船载显控平台对命令数据进行校验编码，并在过程505中依据USB数据传输协议将数据传给无线电通信基站。流程前进至过程506，无线电通信基站依据无线路由协议将数据传给水面中继站。流程前进至过程507，水面中继站将接收的无线电遥控指令经FSK编码后，以水下声波信号的形式发给水下应答器节点。流程前进至过程508，水下应答器节点接收到水面中继站下发的遥控指令后先执行该指令，然后将执行结果反馈给水面中继站。流程前进至过程509，水面中继站接收到由水下应答器回复的确认信息后，将该信息以无线电通信方式转发给无线电通信基站。流程前进至过程510，无线电通信基站接收由水面中继站上传的信息，并通过USB总线将数据传给船载显控平台，并在平台上显示。最后流程在结束点511处结束。

在本发明的实施例中，所有水下应答器定位为同一级(最低级)节点，水下应答器只认指令的目标地址是否指向其自身，而不区分命令来源。上传数据和指令确认不加目标地址，就近向上级节点汇报。水下应答器在整个系统中的功能可以概括为“不认长官只认口令，有问必答，令行禁止”。

各节点路由对无线电通信基站和水面中继站是透明的，而对水下应答器是全封闭的。水面中继站在整个系统中的功能相当于协议转换装置，而在水声通信网络中它又是一个最高级别节点，从路由表可以检索到一共有几个应答器归其管理，指令和数据来自哪里，去向何方。

Claims (5)

1.一种无线电与水声组合遥控系统，其特征在于包含船载显控平台、无线电通信基站、水面中继站和水下应答器四类通信节点；

船载显控平台由安装有操作软件的计算机组成，对无线电与水声组合遥控系统各个节点的状态进行实时监控，并提供人机交互的接口；

无线电通信基站包含一个无线电台和一个USB数据通信接口，分别通过USB数据总线和无线电通信方式与上下两层节点建立连接，用来实现船载显控平台与水面中继站之间的通信连接；

水面中继站包含一个无线电台、一个水声发射装置和一个水声接收装置，分别通过无线电通信方式和水声通信方式与上下两层节点建立连接；是一个浮动的通信节点，同时也是一个协议转换装置，用来实现水上和水下两种通信机制的连接；

水下应答器包含一个水声发射装置和一个水声接收装置，以水声通信方式与上层节点建立连接。

2.一种无线电与水声组合遥控方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)船载显控平台产生遥控指令，并对所述遥控指令进行校验编码，然后将编码后的数据通过USB总线传给无线电通信基站；

(2)无线电通信基站将船载显控平台下发的遥控指令以无线电通信方式转发给水面中继站；

(3)水面中继站将接收的无线电遥控指令经FSK编码后，以水下声波信号的形式发给水下应答器节点；

(4)水下应答器节点接收到水面中继站下发的遥控指令后先执行该遥控指令，然后将执行结果反馈给水面中继站；

(5)水面中继站接收到由水下应答器回复的确认信息后，将所述确认信息以无线电通信方式转发给无线电通信基站；

(6)无线电通信基站接收到由水面中继站上传的确认信息后，通过USB总线传给船载显控平台，并在平台上显示。

3.根据权利要求2所述的无线电与水声组合遥控方法，其特征在于水面中继站与水下应答器组成的一个单点与多点相交互的水声通信网，采用时分多址与频分多址相结合的通信方法实现数据传输。

4.根据权利要求3所述的无线电与水声组合遥控方法，其特征在于所述的频分多址是指为各个水下应答器节点配置相互独立的水声信道，它们占用不同的通信频带，在多点交互的过程中，各个通信链路互不干扰。

5.根据权利要求2、3或4所述的无线电与水声组合遥控方法，其特征在于所述水面中继站将接收的无线电遥控指令经FSK编码后，以水下声波信号的形式发给水下应答器节点是指：水声通信采用移频键控的编码方式，并在相邻的两个码元之间插入保护时隙，在码组内部设立确认码元和校验码元。

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